CN1003220B - 各种用途的工业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业机器人，它由机架（１）支承于机架上的可转动的摇臂（７）和支承于摇臂上的可转动的悬臂（９）组成。在摇臂中不仅装入了悬臂的驱动装置（２６），而且也装入了摇臂本身的驱动装置（１６）。其优点是，在播臂中装入整套传动装置（１６、２６），只有其从动件（２１、３１）凸出于摇臂之外。从动件与机架和悬臂定位后紧固地与之联结，这样，摇臂就可围绕该固定不动的从动件（２１）转动。

Description

各种用途的工业机器人

本发明涉及一种有不同用途的工业机器人（机械手），它由一个机架，一个支承于其上可回转的摇臂和一个支承在摇臂上可回转的悬臂组成，同时，安装在摇臂上的驱动马达驱动悬臂回转，承受悬臂荷重的摇臂在其回转轴的两边至少在静力上大致达到平衡。

这类工业机器人在DE-OS 3115061已有公开，其摇臂的回转驱动装置位于机架上，摇臂通过一配重达到平衡。这类机器人是为操作较重负荷而发展的，首先是作为焊接机器人而设计的。

越来越多的工业机器人用于装配目的，因此，大量地制造这类机器人。用于这种目的的机器人一般操作比较轻的负荷，因而就可制造得轻一些，但由于需要数量较大，所以其费用必须比现用的机器人更便宜些。

现用的机器人，就象DE-OS 3115061提到的那种，只能有限地适应上述目的，尤其是现有的机器人使用起来不经济，因为它们都是为一定的目的而单独设计的。

因此，本发明的任务，就是研制一种工业机器人，适应各种使用目的并具有经济性。

本发明具有特色地完成了这项任务。

这种解决方案基于此构思，即用单元组合的方式来构成工业机器人，以使其最佳地适应各种使用目的。把摇臂当作核心组件使之在各种使用目的下都保持同一型式，这样就可比较经济地大量生产。然后各按其使用目的，将摇臂与各种不同的机架和/或悬臂连接在一起。通过摆动和回转的驱动马达安装在摇臂上，可使机架的设计简单，因而费用低廉。

总的看来，一方面机架与摇臂之间，另一方面摇臂与悬臂之间的接口都要实现标准化，其结果是：悬臂和机架作为组合部件相互独立设计，然后又通过摇臂彼此联接起来。最佳适合使用目的机器人应仅具有必需的数量和类型的轴，因为这在很大程度上对经济性具有决定性的作用。

由于采用了本发明的摇臂设计而使组合式结构成为可能，这种组合式结构可以对工业机器人进行低成本改装，使之用于其它目的。

前面提到的优点不仅对组合部件系统起了作用，而且对单件生产设计，例如六轴工业机器人，也同样起作用。把摇臂和悬臂的回转驱动装置安装在摇臂里，可以简化摇臂和机架的设计过程，这在单件的设计中也可起到降低成本的作用。

到目前为止，摇臂与悬臂的回转驱动装置都使用齿轮传动箱，根据相应的标准，也可把齿轮传动箱的部件安装在机架或悬臂里，如果将上面提到的回转传动装置全都装在作为完整组件的摇臂里面，而只有两个回转传动装置的从动件露在摇臂外面，那么成本就更加低廉。

在所示的极为经济的实施例中，从动件做成具有定位装置的轮形法兰，只需把它与机架和悬臂用螺丝联在一起就行了，如果改变一下，使用行星齿轮或类似的传动装置，就可把外部空心轮或行星齿轮支架作为从动件，使之与机架或悬臂联在一起。

摇臂和悬臂的回转传动装置可以用不同的方式构成。例如，可以安装一个带减速齿轮的传动马达，这样就不需另装减速器而可将马达直接安装在各回转轴上。但由于回转传动装置需要无间隙性和准确的控制，最好是由驱动马达和至少两级减速器构成回转驱动装置，并把带齿三角皮带用于第一级传动。根据所示的实施例，第二级传动可以是带齿三角皮带传动或者是齿轮传动。同样，整套传动装置也可都采用齿轮传动。

把具有中间轴的两套带齿三角皮带传动装置，以顺列的方式布置在同一平面内的另一优点，是摇臂机体的体积很小，此外，根据本发明，此种安装法可利用驱动马达的安装位置来达到摇臂的平衡。根据悬臂携带工具的不同荷重，可使用附加重量使摇臂围绕其回转轴达到平衡。同样，也可通过附加重量，或作用于曲拐臂上的弹簧，或用液压缸加载，或类似的措施，来使摇臂达到平衡，由于回转驱动装置采用两极传动而可装入一个位移传感器，这是本发明的另外一个优点。为了排除积累的传动偏差所引起的影响，位移传感器要尽可能位于离从动轮一边较近的地方，对于摇臂的回转驱动装置，它的与机架牢固相联的从动件可根据机架的不同结构具有一个相对垢或绝对的固定的基点，围绕此基点，传动箱连同摇臂一起转动，与此相应，中间轴构成从动一边的最后运动环节，位移传感器有利地装在这上面。因为要使结构一致，在悬臂的回转驱动装置上的位移传感器也推荐装在它的中间轴上，虽然这里的从动件是运动的最后环节。

所述的传动设计也带来了一部分问题：即拉紧由两级带齿轮三角皮带构成的传动装置时需要按一定顺序进行。在第一传动级中是很明显的，即驱动马达的位置是可调的，可以用它来拉紧第一级传动的皮带。但在第二级传动中就成问题，因此本发明建议，把中间轴安装在一个可与机体相对运动的，可作偏心调节的壳体内，须偏心调节可作为拉紧第二级皮带的手段。

另一方面，发明还提出一种可能性，在第二级传动装置内设置一个推荐的消除啮合间隙的装置，它是一组与从动齿轮相配的两个分开的，以相反方向扭转夹紧的小齿轮。这样的建议见于较早的专利申请P31 15 061和P33 08 413里，这些专利申请的内容指出，把最后一级传动做成所谓“刚性传动”是特别有利的，它可克服由于重量大、运速造成的摆动技术问题。

最好是将摇臂和悬臂的回转传动装置的从动件制成空心的，这样就为安装动力的控制导线、工具和诸如此类的东西留出了一条通道，实际上从组合结构意义上讲，它形成了一种紧凑的结构，此结构不会由于传动技术而防碍能量的输入。在组件的机械法兰盘接口处，也设置电线的插头或接线板接口。

悬臂和摇臂的活动支承结构所得设计简单，成本低，而且工业机器人的工作范围也比较宽。本发明的工业机器人也适宜于在较重负荷下工作，两边的叉形支承结构等也可以用来支承这种重负荷。

两个活动支承对于低成本的组合结构来说，是有其优点的，可以自由地选择轴承的位置，围绕此轴承，摇臂相对于机架和悬臂相对于摇臂回转。

把驱动马达安装在摇臂的一边，把活动支承安装在摇臂的另一边，其优点是：它可以利用驱动马达轻而易举地使摇臂达到平衡，而又不影响工业机器人的工作范围。

如果从经济性和组合结构方式考虑，要尽可能把悬臂制造得小而轻。由于悬臂和摇臂以及摇臂和机架的支承部位安装在摇臂的同一边，因此，悬臂只能具有有限的长度。但悬臂也应该象摇臂一样，要相对其回转轴平衡。解决这个问题的方法在DE-OS 30 48 067中已有了，即把用于机械手根的动力的驱动马达安装在悬臂回转轴的另一边，由于所需空间的原因，马达之间的距离要比被其驱动空心轴之间的距离大，解决这个问题的方法在DE-OS里已经有了，即通过有两个万向接头轴承的中间轴，把空心轴与其相应的驱动马达联接在一起。但是这样做双大大提高了悬臂结构长度。

为解决这个问题，本发明建议，把驱动马达按扇形方式布置，这就只需要短而直的中间轴，把驱动马达与装在空心轴上的相应的伞齿轮相联接。这种结构除缩短了长度外，另一优点是，在驱动马达与其中间轴之间可以进行简便的插头连接，使得有可能方便地更换驱动马达。

本发明的悬臂的构成也可有利地应用于其他并非根据本发明而构成的工业机器人。

本发明的细节可见附图。附图结合实例对发明进行了描述。

它们是：

图1工业机器人（机械手）的侧视图，摇臂与其悬臂可围绕水平轴回转。

图2工业机器人的侧视图，其摇臂和悬臂可围绕垂直轴回转。

图3根据图1，按Ⅲ-Ⅲ线的水平截面。

图4图3变型的纵截面。

图5悬臂的侧视图。

图6根据图5的悬臂的垂直断面图。

图1和图2展示了工业机器人（机器手）的基本设计型，可以看出，根据本发明的基本构思可以制造出各种变型，而不需要对发明的变型一一加以描述。

在图示的两种情况下，机架1由立柱构成，它可以围绕底部3的垂直轴线2回转。立柱1由驱动马达4驱动，在图1的情况下，用多级减速器来驱动立柱1，图中象征性地示出了减速器的中间轴5和位移传感器6。这个位移传感器6的任务是向回转驱动装置发送控制脉冲。

在图1的装置中，立柱1的上端支承着一个摇臂7，该摇臂7可围绕水平轴线8转动，摇臂7的回转轴10上支承着悬臂9。悬臂9的自由端有所谓的手15，借助于它，使用一个或多个轴，就能操纵工具的特殊运动。

驱动摇臂7所必须的驱动马达11位于对应于回转轴8的一个与悬臂9平衡的位置上。驱动马达以法兰连接方式装在摇臂7的机体52上。驱动悬臂9所需的驱动马达13装在靠近回转轴8处，其最佳安装位置决定于悬臂9和驱动马达11的重量分布以及它们在摇臂7上的力臂长度。在机器人组合件系统中，可以使用统一设计的摇臂7通过附加重量来平衡各种不同的悬臂荷重。

此外，图1还示意地表示出在每个驱动马达11、13及其相应的回转轴8、10之间，各装了一个中间轴12、14，通过各中间轴来实施二级传动。

在图2的实施例中，摇臂7和悬臂9也可支承在垂直的或倾斜的（特殊情况下）轴8、10上。支承方式主要取决于工业机器人的特殊任务要求。

在图2中，机架1做成升降支柱的形式，而马达4通过一个减速齿轮传动装置驱动一个没有画出的沿轴线2方向的主轴。通过主轴旋转，可以使支承在主轴螺母（未示出）上的摇臂7升降。

在其它实施方案中，机架1可做成沿单轴线或多轴线移动和（或）摆动的、与地面相连的滑座，或做成门状支架或类似的设备。但机架也可不活动，例如由一座墙构成。同样，悬臂9也可做成不同的形状，可带动不同的工具或其它悬臂。工业机器人适用于不同的使用目的，并可具有随意数的轴。图中的实施例是以轻型结构形式示出的，它特别适合用作装配机器人或轻型焊接机器人。如要操作较重负荷，可采用重型结构形式。

图3所示的实施例中，摇臂7具有外壳52。该外壳52通过一个活动支承件23装在支柱1上。同样，悬臂9通过一个活动支承件24装在摇臂7上。其结果是，悬臂9的活动面与摇臂7的活动面是错开的。另一方面，它带来的优点是，驱动马达11、13安装在与活动支承件23、24相对的摇臂7另一边的法兰盘上。这样，就形成一个悬臂9可以自由活动的空间。同时，如图5、6所示，其它更多轴的驱动马达36、37、38可以以扇形布置的方式装在悬臂9的活动面内。

在图3的实施例中，摇臂7和悬臂9回转运动所需的全套驱动装置16、26都装在摇臂7的外壳52内。回转驱动装置16、26的构造是一样的，各由驱动马达11、13及一个两级传动装置17、20和27、30构成。第一传动级由带齿三角皮带传动装置17、27构成，驱动马达通过它们驱动位于中间轴上的中间轮18、28。在中间轴12、14上位于摇臂7的马达一边各有一个位移传感器22，它以已知方式将控制脉冲输入驱动马达11、13。

在图3的实施例中，第二级传动各有带齿三角皮带传动装置20、30。它们将传动轮19、29的转动传递给带有从动齿轮的从动件21、31。从动件21、31以可回转的方式支承在外壳52内，并从外壳52的相对于马达11、13的另一侧伸出来。从图3可见，从动件21、31的外侧有一个轮形法兰51和定位装置50，通过它们，从动件与支柱1或机架并与悬臂牢固地联结，主要是用螺丝联结。螺丝从立柱1和悬臂9的方向旋入。

机架或立柱1按其本身的自由度是相对地或绝对地固定住的。这样，在从动件21和立柱或机架1间的牢固的联结使得从动件21也是相对地或绝对地固定住的。结果是，带齿三角皮带20围绕固定的从动件21滚动，摇臂7也围绕从动件21，从而也围绕轴线8回转。摇臂7和立柱1之间的活动支承件23是由从动件21的轴承在外壳52内构成的。

与摇臂7相比，悬臂9活动比较自如。从动件31和悬臂9之间的固定联接使得在回转驱动装置26开动时，悬臂9也随之旋转。回转驱动装置16和26虽然结构相同，但其运动作用却相反。对于悬臂9，其活动的支承件24是由从动件31的在外壳52内的轴承构成的。

根据发明，带齿三角皮带17、27的拉紧问题是这样解决的，即驱动侧的马达11、13在摇臂7的外壳52内的位置是可以调节的。因此，第二级的皮带传动20、30的拉紧不受其影响。为了拉紧后者，装设了偏心壳体25，在其中装入驱动轮19、20的轴承。借助于偏心调节，第二驱动级的带齿三角皮带20、30可以拉紧。因为这样做同时也改变了中间轴12或14的位置，因此要通过调整与之对应的驱动马达11、13的位置以调整第一驱动级的带齿三角皮带17、27的拉紧力。

在图4所示的实施例中，摇臂7和悬臂9的回转驱动装置16、26的第二驱动级也可使用“刚性传动”，即由圆柱齿轮组35构成。它具有两个彼此分离的小齿轮32、33，它们借助于扭转夹紧器34可调整相互位置关系。此扭转夹紧器同时还将带齿三角皮带传动装置17、27的中间轮53、54固定住。两个小齿轮32、33以相反的方向对各自的从动件21、31起作用。从动件又与立柱1或悬臂9牢固地联结在一起。所以在摆动-回转传动装置16中，小齿轮32、33滚动在从动件21的齿轮上，其反作用力使摇臂7产生回转运动，这个驱动结构的其它细节可见DE-PS 33 08 413。

图5和图6表示出悬臂9的特殊结构，它们是上述理论的进一步发展的运用，但并不受其决定。

如图3所示，悬臂9装在摇臂7的一个活动支承件上。悬臂9有一个手15，它的特征是，有1，2或3个轴。因此，必须有单独地驱动这些轴的条件。

根据本发明的一个实施例，驱动这些轴的马达36、37和38直接以扇形布置方式安装在悬臂上，使其驱动轴位于悬臂9的回转平面上。按这种方式，可以使驱动马达36、37、38在悬臂9的回转过程中不会与摇臂7或立柱1以及诸如此类设备相撞。图5的实施例形象地表示传，所谓手15具有相当于手腕轴的回转轴40和相当于手指关节的回转轴41。回转轴41在回转轴39的同一轴线的延长段上，所以手15可以相对于悬臂9回转。

在图6的实施例中，驱动技术可以如图5一样加以解释。可以看出，驱动马达36、37、38的单个驱动轴42、43、44与插接联结器45位于同一轴线上。推荐的结构方式是中间驱动马达37与它的驱动轴43直接作用在小齿轮46上。其它两个驱动马达36和38通过伞齿轮47、48作用于套装在其上的空心轴上。所有的轴构成了一个同轴装置49，这是已知的。

本发明构思的优点是，其活动的手15的运动范围比现有的都大得多。此外，其驱动结构具有可以使机械手有多种变化的优点。

部件名称

1.机架，支柱，升降支柱;

2.垂直轴线

3.地面部分

4.驱动马达

5.中间轴

6.位移传感器

7.摇臂

8.回转轴线

9.悬臂

10.回转轴线

11.驱动马达（摇臂）

12.中间轴

13.驱动马达（悬臂）

14.中间轴

15.手

16.回转驱动装置（摇臂）

17.带齿三角皮带传动装置

18.中间轮

19.驱动轮，传动轮

20.带齿三角皮带传动装置

21.从动件，从动轮

22.位移传感器

23.摇臂的活动支承

24.悬臂的活动支承

25.偏心壳体部分

26.回转驱动装置（摇臂）

27.带齿三角皮带传动装置

28.中间轴

29.驱动轮

30.带齿三角皮带传动装置

31.从动件，从动轮

32.小齿轮

33.小齿轮

34.扭转夹紧器

35.齿轮传动装置

36.驱动马达

37.驱动马达

38.驱动马达

39.回转轴

40.回转轴

41.回转轴

42.驱动轴

43.驱动轴

44.驱动轴

45.插接联结器

46.直接驱动轴

47.伞齿轮装置

48.伞齿轮装置

49.同心转轴装置

50.定位装置

51.轮形法兰盘

52.外壳

53.中间轮

54.中间轮

Claims (10)

1、各种用途的工业机器人（机械手），它由一个机架（1）、一个安装于其上的摇臂（7）和一个安装于摇臂（7）上的悬臂（9）所组成，在摇臂（7）上装有驱动摆动-回转驱动装置（16）的驱动马达（11），马达的驱动轮和一个在机架上位置固定的传动轮相啮合，其特征是：所述悬臂（9）在摇臂（7）上安装得能够活动和旋转，并且驱动悬臂（9）作旋转运动的驱动马达（13）也是固定在摇臂（7）上的，其中两个回转驱动装置（16、26）的从动件（21、31）在摇臂（7）上安装得可以转动，它们具有一个带中心定位装置（50）的轮形法兰（51），并且和所述机架（1）或者和所述悬臂（9）用螺丝联结在一起。

2、根据权利要求1的工业机器人，其特征是：摇臂（7）和悬臂（9）的回转驱动装置（16、26）完全安装在摇臂（7）的外壳（52）里面，只有从动件（21、31）露在外面。

3、根据权利要求1或2的工业机器人，其特征是：摇臂（7）和悬臂（9）的回转驱动装置（16，20）各由一个马达（11、13）和一个至少有两级的传动装置构成，其中至少第一级传动是由带齿三角皮带传动装置（17、27）构成。

4、根据权利要求3的工业机器人，其特征是：两个传动装置都由具有一个中间轴（12、14）的两级带齿三角皮带传动装置（17、20和27、30）构成，带齿三角皮带传动装置（17、20和27、30）顺列布置在同一平面内。

5、根据权利要求4的工业机器人，其特征是：中间轴（12、14）各支承在一个与摇臂外壳（52）可作相对运动的、偏心可调的壳体（25）内，偏心调节作为拉紧带齿三角皮带（20、30）的手段。

6、根据权利要求1的工业机器人，其特征是：用于摇臂（7）或悬臂（9）的回转驱动装置（16、26）的从动件（21、31）做成空心的，以用作动力和控制导线、工具和诸如此类物品的通道。

7、根据权利要求1的工业机器人，其特征是：摇臂（7）通过驱动马达（11、13）的分布使之平衡，同时，悬臂（9）的驱动马达（13）安装在摇臂（7）的回转轴线（8）附近。

8、根据权利要求1的工业机器人，其特征是：机架（1）上的摇臂（7）和摇臂（7）上的悬臂（9）用活动支承件（23、24）支承。

9、根据权利要求8的工业机器人，其特征是：支承部位（23、24）都安装在摇臂（7）的一边，驱动马达（11、13）安装在摇臂（7）的另一边。

10、根据权利要求1的工业机器人，其特征是：悬臂（9）装有扇形布置的驱动马达（36、37、38）来驱动悬臂（9）上的其它轴（39、40、41），马达的驱动轴位于悬臂（9）的回转平面内。

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